WO2012156475A2 - Resonator zur verteilung und teilweisen transformation longitudinaler schwingungen und verfahren zur behandlung wenigstens eines fluides mittels eines erfindungsgemässen resonators - Google Patents

Resonator zur verteilung und teilweisen transformation longitudinaler schwingungen und verfahren zur behandlung wenigstens eines fluides mittels eines erfindungsgemässen resonators Download PDF

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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
    • G10K11/04—Acoustic filters ; Acoustic resonators

Definitions

  • Resonator for the distribution and partial transformation of longitudinal vibrations and method for the treatment of at least one fluid by means of a resonator according to the invention
  • the present invention relates to a resonator for the distribution and partial transformation of longitudinal vibrations and to a method for the treatment of at least one fluid by means of a resonator according to the invention.
  • the invention is thus directed to an apparatus and method for transforming low frequency power ultrasonic vibrations (NFLUS vibrations) using a novel vibrational geometry.
  • This geometry allows a transformation and distribution of longitudinal vibrations in a resonator in longitudinal vibrations, which are superimposed with further oscillations.
  • Low frequency power ultrasound is ultrasound with an operating frequency of 15 to 100 kHz, preferably 15 to 60 kHz, e.g. 30 kHz and a sound power over 5 W, preferably 10 W to 1 .000 W, e.g. 200 W.
  • To generate the ultrasound for example piezoelectric or magnetostrictive systems are used. There are known linear transducers and flat or curved plate vibrators, bending oscillators or tubular resonators.
  • Low frequency power ultrasound is finding great use in the treatment of fluids, e.g. Food, cosmetics, paints and nanomaterials.
  • ultrasound is transmitted via a resonator with amplitudes of 1 to 350 ⁇ m, preferably 5 to 50 ⁇ m, e.g. 15 ⁇ transferred directly or indirectly into liquids.
  • Lambda is the wavelength which results from the NFLUS frequency and the sound propagation velocity in the resonator.
  • a resonator may consist of one or more lambda / 2 elements.
  • this reactor vessel may be under a pressure lower or higher than the ambient pressure.
  • a lower pressure negative pressure
  • ambient pressure eg 1 bar absolute
  • a higher pressure overpressure
  • Some systems use a vessel internal pressure between 1, 5 bar absolute to 1000 bar absolute, eg 3 bar absolute.
  • the sound transducer for example, a piezoelectric linear transducer located outside the vessel and the vibrations are guided via one or more resonators in the vessel interior.
  • the invention has for its object to provide a resonator and a method for treating at least one fluid with which fluids can be treated in a simple and efficient manner with vibrations.
  • the object is achieved by the resonator according to claim 1 and by the method for treating at least one fluid according to claim 20.
  • Advantageous embodiments of the resonator are the subject of the dependent claims 2 to 19.
  • a resonator which is capable of distributing and partially transforming longitudinal vibrations into longitudinal vibrations superimposed on the center of gravity or approximately the centroid of a cross-sectional area of at least one aperture included in the resonator.
  • the resonator comprises a natural number of parallel elements of at least lambda / 2 or a natural multiple thereof, wherein at least one of the lambda / 2 elements has at least one aperture adapted to transmit the transformed vibrations to a fluid located within the aperture ,
  • Lambda is the wavelength.
  • a lambda / 2 element an element of at least lambda / 2 or a natural multiple thereof is referred to as a lambda / 2 element.
  • the approximate course to the centroid is preferably meant that a deviation of up to 30 °, preferably up to 15 ° and in particular up to 10 ° to direct course of oscillation to the centroid is allowed.
  • the transformed vibration is directed radially or at least approximately radially to the center of the bore.
  • the transformed oscillation is directed exactly to the centroid of the opening or exactly radially to the center of the bore.
  • the opening may be arranged penetrating as a through-hole or a slot and consequently the resonator, or the opening is merely a recess or a concavity in the resonator, such.
  • B is a blind hole or a gutter-shaped depression.
  • the resonator may comprise a total of 2n lambda / 2 elements (or an integer multiple thereof) or else 2n + 1 lambda / 2 elements (or an integer multiple thereof).
  • n is an element of natural numbers.
  • each lambda / 2 element should have at least two openings.
  • the lambda / 2 elements may be separated by slots along part of their longitudinal extent.
  • the resonator has at least one lambda / 2 element which is suitable for reducing or increasing the amplitude of the oscillations present at the other lambda / 2 elements.
  • the cross section of at least one opening may be a polygon.
  • the oscillation directed toward the centroid or approximately to the centroid of a cross-sectional area of at least one opening has at least two oscillation nodes on the inside of the opening.
  • the resonator may have at least one opening on one end face, which is suitable for influencing at least one of the resonant frequencies of the resonator.
  • the end face is a side surface of the resonator which extends substantially or exactly perpendicular to the propagation direction of the longitudinal oscillations.
  • the resonator is preferably made of a steel alloy, an aluminum alloy, a titanium alloy, ceramic or a glass.
  • the resonator should be designed for the distribution and partial transformation of ultrasound with a frequency between 15 kHz and 40 kHz, in particular with a frequency between 16 kHz and 22 kHz.
  • the maximum diagonal of the opening arranged to transmit the vibrations to the fluid is between 1 mm and 100 mm.
  • the maximum amplitude of the vibrations in the longitudinal direction should be less than 30 ⁇ (peak-peak) and greater than 1 ⁇ (peak-peak), preferably greater than 5 ⁇ (peak-peak).
  • the resonator is particularly advantageous if it comprises a vessel in at least one opening, wherein the opening holds the vessel essentially in a form-fitting manner.
  • the opening holds the vessel completely positive fit.
  • At least one opening inner surface can at least partially lie positively against a vessel wall.
  • a method for treating at least one fluid by means of a resonator according to the invention in which longitudinal oscillations are distributed and partially transformed into center of gravity or approximately the centroid of a cross-sectional area of at least one cavity-containing opening directed vibrations associated with longitudinal vibrations are superimposed, wherein the transformed vibrations are transmitted to a fluid located within the opening, and wherein the volume of the fluid in the Opening is limited by a vessel, or the volume of the fluid in the opening is limited by the wall of the opening.
  • the longitudinal vibrations superimposed on the fluid by the vibrations directed at approximately the centroid of a cross-sectional area of at least one opening encompassed by the resonator are also transmitted to the fluid.
  • the vibrations are distributed to one or more openings or vessels arranged there and transferred to the fluid located there.
  • the fluid may be a gas as well as a liquid or a 2-phase mixture thereof.
  • a resonator consisting of several Lamda / 2 elements can be made of a piece of material of appropriate length or composed of several elements of length m * lambda / 2 (ne N), eg by screwing, welding, gluing or pressing.
  • Lambda / 2 elements can have different material cross-sectional geometries, eg circular, oval or rectangular cross sections. The cross-sectional geometry and area may vary along the longitudinal axis of a lambda / 2 element.
  • Lambda / 2 elements may be made of, among other things, metallic or ceramic materials or of glass, in particular of titanium, titanium alloys, steel or steel alloys, aluminum or aluminum alloys, eg of grade 5 titanium.
  • vibrations can be transmitted via the vessel wall to the vessel contents.
  • the vibration transmission to the vessel wall can be done on all sides and enclosing the entire vessel wall or only over part of the vessel wall. This part can e.g. enclose the cross section of the vessel.
  • the vibrations may be at different angles, e.g. act almost or completely perpendicularly from the resonator to the vessel wall.
  • the vibrations can act radially on the vessel cross section.
  • the vibrations may be directed radially to a point within the vessel cross-section, preferably to the centroid of the cross-sectional area of the vessel.
  • the resonator which preferably comprises a plurality of mutually connected to the maxima of the longitudinal vibrations Lamda / 2 elements and having openings in the lambda / 2 elements, it is possible to one or more of these lambda / 2 elements acting longitudinal vibrations to transform vibrations directed towards the centroid or approximately the centroid of a cross-sectional area of at least one aperture included by the resonator, which are superimposed with longitudinal vibrations.
  • Characteristic of the inventive design of the resonator are the openings introduced into at least one, preferably all, of the lambda / 2 elements, e.g. Holes, millings or slots or recesses introduced on one or more sides.
  • one or more openings or depressions can be introduced into one or more lambda / 2 elements.
  • the resonant frequencies of the resonator and the amplitude distribution along the opening cross-section lines are dependent inter alia on the outer geometry and the opening cross-sectional geometry.
  • the resonance frequencies of the resonator and the amplitude distribution along the opening cross-section line are additionally influenced.
  • Figure 1 a resonator according to the invention in the operating state with clarification of
  • FIG. 2 an amplitude-variation diagram of the oscillations
  • FIG. 3 shows a resonator according to the invention in a first embodiment variant
  • FIG. 4 shows a resonator according to the invention in a second embodiment
  • FIG. 5 shows a resonator according to the invention of a third embodiment
  • the resonator shown in Figure 1 is not shown to scale in the oscillating state.
  • the apertures 12 shown are in the idle state, ie in the unloaded state of the resonator 10, made substantially more compact, as can be seen for example from Figures 3 to 5.
  • each lambda / 2 element 1 1 two openings 12 are arranged.
  • FIGS. 3 and 4 show two different embodiments of a resonator 10 according to the invention.
  • the resonator 10 illustrated in FIG. 3 additionally comprises a resonance influencing element 14 in the form of a further opening in the shaft 16, and a groove-shaped recess extending transversely across the parallel lambda / 2 elements 1 1 as another resonance influencing element 14
  • Resonance influencing elements 14 serve to adjust the resonance behavior of the resonator 10.
  • the resonator 10 shown in Figure 4 has to influence the resonance behavior on a side surface of a lambda / 2 element 1 1 another resonance influencing element 14 in the form of an opening and at the end face 13 each lambda / 2 element 1 1 associated with a resonance influencing element 14 in shape a hole on.
  • FIG. 6 shows a resonator 10 stretched in length extension 20 on account of its resonance behavior, which can be seen in particular from the deformation of the openings 12 into an elliptical shape extending in longitudinal extension 20.
  • the contours of the openings 12, as they are present in the non-oscillating state, are indicated by the dashed lines.
  • the shades shown represent in which regions of the resonator 10 minima and maxima of the amplitude distribution occur.
  • the resonator shown in FIG. 6 can be seen in a further oscillation state, the resonator 10 here being present in a state which is compressed in longitudinal extension 20, as can be seen from the elliptical shape of the openings 12 running perpendicular to the longitudinal extension 20.
  • vibrations introduced longitudinally into the resonator 10 are transformed into oscillations which are radial from Edge of the openings 12 act on the center.
  • fluids 21 can be exposed to such vibrations in the openings 12.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Resonator zur Verteilung und teilweisen Transformation longitudinaler Schwingungen und ein Verfahren zur Behandlung wenigstens eines Fluides mittels eines erfindungsgemäßen Resonators. Der Resonator ist zur Verteilung und teilweisen Transformation longitudinaler Schwingungen in longitudinale Schwingungen, die mit zum Flächenschwerpunkt oder annähernd zum Flächenschwerpunkt einer Querschnittsfläche wenigstens einer vom Resonator umfassten Öffnung gerichteten Schwingungen überlagert sind, ausgestaltet. Dabei umfasst der Resonator eine natürliche Zahl parallel angeordneter Elemente von wenigstens Lambda/2 oder einem natürlichem Vielfachen davon, wobei mindestens eines der Lambda/2-Elemente mindestens eine Öffnung aufweist, welche geeignet ist, die transformierten Schwingungen an ein innerhalb der Öffnung befindliches Fluid zu übertragen.

Description

Resonator zur Verteilung und teilweisen Transformation longitudinaler Schwingungen und Verfahren zur Behandlung wenigstens eines Fluides mittels eines erfindungsgemäßen Resonators
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Resonator zur Verteilung und teilweisen Transformation longitudinaler Schwingungen und ein Verfahren zur Behandlung wenigstens eines Fluides mittels eines erfindungsgemäßen Resonators.
Die Erfindung ist somit auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Transformation von Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall-Schwingungen (NFLUS-Schwingungen) unter Verwendung einer neuartigen Schwingungsgeometrie gerichtet. Diese Geometrie erlaubt eine Transformation und Verteilung von Longitudinalschwingungen in einem Resonator in longitudinale Schwingungen, welche mit weiteren Schwingungen überlagert sind.
Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall (NFLUS) ist Ultraschall mit einer Arbeitsfrequenz von 15 bis 100 kHz, vorzugsweise 15 bis 60 kHz, z.B. 30 kHz und einer Schallleistung über 5 W, vorzugsweise 10 W bis 1 .000 W, z.B. 200 W. Zur Erzeugung des Ultraschalls werden beispielsweise piezoelektrische oder magnetostriktive Systeme verwendet. Es sind lineare Schallwandler und flächige oder gewölbte Plattenschwinger, Biegeschwinger oder Rohrresonatoren bekannt. Niederfrequenz-Leistungs-Ultraschall findet eine große Anwendung in der Behandlung von Flüssigkeiten, wie z.B. Nahrungsmitteln, Kosmetika, Farben und Nanomaterialien. Dafür wird Ultraschall über einen Resonator mit Amplituden von 1 bis 350 μηη, vorzugsweise 5 bis 50 μηη, z.B. 15 μηη direkt oder indirekt in Flüssigkeiten übertragen. Lambda ist dabei die Wellenlänge welche sich aus der NFLUS-Frequenz und der Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Resonator ergibt.
Ein Resonator kann aus einem oder mehreren Lambda/2-Elementen bestehen.
Neben der Behandlung von Proben in offenen Systemen, z.B. im Becherglas erfordern viele Anwendungen das Einbringen von NFLUS in Reaktorgefäße. Entsprechend der Anwendung kann dieses Reaktorgefäß unter einem geringeren oder einem höheren Druck als dem Umgebungsdruck stehen. Ein geringerer Druck (Unterdruck) liegt zwischen Vakuum (0 bar absolut) und Umgebungsdruck (z.B. 1 bar absolut), z.B. bei 0,5 bar vor. Ein höherer Druck (Überdruck) liegt vor, wenn der Druck über dem Umgebungsdruck liegt. Einige Systeme verwenden einen Gefäßinnendruck zwischen 1 ,5 bar absolut bis 1000 bar absolut, z.B. 3 bar absolut. Um NFLUS in ein solches Gefäß einzubringen, kann entweder die Gefäßwand durch ein außen angebrachtes NFLUS-System in Schwingungen versetzt werden, oder ein NFLUS- Schallwandler vollständig im unter Druck stehenden Gefäßinnenraum eingebaut werden. Alternativ kann sich der Schallwandler, z.B. ein piezoelektrischer linearer Schallwandler außerhalb des Gefäßes befinden und die Schwingungen über ein oder mehrere Resonatoren in den Gefäßinnenraum geführt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Resonator und ein Verfahren zur Behandlung wenigstens eines Fluides anzugeben, mit denen Fluide in einfacher und effizienter Weise mit Schwingungen behandelt werden können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch den Resonator gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren zur Behandlung wenigstens eines Fluides gemäß Anspruch 20. Zweckmäßige Ausgestaltungen des Resonators sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 19.
Es wird ein Resonator zur Verfügung gestellt, der zur Verteilung und teilweisen Transformation longitudinaler Schwingungen in longitudinale Schwingungen, die mit zum Flächenschwerpunkt oder annähernd zum Flächenschwerpunkt einer Querschnittsfläche wenigstens einer vom Resonator umfassten Öffnung gerichteten Schwingungen überlagert sind, geeignet ist. Der Resonator umfasst eine natürliche Zahl parallel angeordneter Elemente von wenigstens Lambda/2 oder einem natürlichem Vielfachen davon, wobei mindestens eines der Lambda/2-Elemente mindestens eine Öffnung aufweist, welche geeignet ist, die transformierten Schwingungen an ein innerhalb der Öffnung befindliches Fluid zu übertragen.
Lambda ist dabei die Wellenlänge.
Im Folgenden wird zur Vereinfachung der Kenntnisnahme der Erfindung ein Element von wenigstens Lambda/2 oder einem natürlichem Vielfachen davon als Lambda/2-Element bezeichnet.
Das heißt, dass der Resonator n parallel angeordnete Lambda/2-Elemente umfassen kann, wobei statt der parallelen Anordnung von jeweils nur einem Lambda/2-Element auch eine ganz-zahliges Vielfaches m an Lambda/2-Elementen parallel angeordnet sein kann, wie z.B. bei m=2, wobei n Elemente mit einer Länge von 2 * Lambda/2 parallel angeordnet sind.
Mit dem annähernden Verlauf zum Flächenschwerpunkt ist vorzugsweise gemeint, dass eine Abweichung von bis zu 30°, vorzugsweise bis zu 15° und insbesondere bis zu 10° zum direkten Verlauf der Schwingung zum Flächenschwerpunkt zulässig ist.
Bei einer Bohrung als Öffnung ist demzufolge die transformierte Schwingung radial oder zumindest annähernd radial zum Zentrum der Bohrung gerichtet.
Vorzugsweise ist die transformierte Schwingung genau zum Flächenschwerpunkt der Öffnung bzw. genau radial zum Zentrum der Bohrung gerichtet.
Die Öffnung kann als eine Durchgangsbohrung oder ein Schlitz und demzufolge den Resonator durchdringend angeordnet sein, oder die Öffnung ist lediglich eine Aussparung bzw. eine Konkavität im Resonator, wie z. B eine Sacklochbohrung oder eine rinnenförmige Vertiefung.
Der Resonator kann insgesamt 2n Lambda/2-Elemente (oder ein ganzzahlig Vielfaches davon) oder auch 2n+1 Lambda/2-Elementen (oder ein ganzzahlig Vielfaches davon) umfassen.
Dabei ist n ein Element der natürlichen Zahlen.
Vorzugsweise sollte jedes Lambda/2-Element mindestens zwei Öffnungen aufweisen.
Die Lambda/2-Elemente können durch Schlitze entlang eines Teils ihrer Längenausdehnung voneinander getrennt sein.
In einer vorteilhaften Variante weist der Resonator wenigstens ein Lambda/2-Element auf, welches zur Reduktion oder Erhöhung der Amplitude der an den übrigen Lambda/2- Elementen anliegenden Schwingungen geeignet ist.
Der Querschnitt wenigstens einer Öffnung kann ein Polygon sein.
In bevorzugter Ausgestaltung des Resonators ist vorgesehen, dass die zum Flächenschwerpunkt oder annähernd zum Flächenschwerpunkt einer Querschnittsfläche wenigstens einer Öffnung gerichtete Schwingung an der Innenseite der Öffnung mindestens zwei Schwingungsknoten aufweist.
Weitherin kann der Resonator an einer Stirnseite mindestens eine Öffnung aufweisen, welche geeignet ist, mindestens eine der Resonanzfrequenzen des Resonators zu beeinflussen. Die Stirnseite ist dabei eine im Wesentlichen oder genau senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der longitudinalen Schwingungen verlaufende Seitenfläche des Resonators.
Der Resonator ist vorzugsweise aus einer Stahllegierung, einer Aluminiumlegierung, einer Titanlegierung, aus Keramik oder aus einem Glas gefertigt.
Der Resonator sollte für die Verteilung und teilweisen Transformation von Ultraschall mit einer Frequenz zwischen 15 kHz und 40 kHz, insbesondere mit einer Frequenz zwischen 16 kHz und 22 kHz ausgelegt sein.
Er sollte außerdem für die Verteilung und teilweisen Transformation von Ultraschall mit einer Leistung zwischen 10 W und 20000 W, insbesondere mit einer Leistung zwischen 50 W und 1000 W ausgelegt sein.
Vorzugsweise beträgt die maximale Diagonale der zur Übertragung der Schwingungen auf das Fluid angeordneten Öffnung zwischen 1 mm und 100 mm.
Die maximale Amplitude der Schwingungen in longitudinaler Richtung sollte kleiner als 30μηη (peak-peak) und größer als 1 μηη (peak-peak), vorzugsweise größer als 5 μηη (peak-peak) sein.
Der Resonator ist insbesondere dann vorteilhaft ausgestaltet, wenn er in wenigstens einer Öffnung ein Gefäß umfasst, wobei die Öffnung das Gefäß im Wesentlichen formschlüssig hält.
Vorzugsweise hält die Öffnung das Gefäß vollständig formschlüssig.
Alternativ kann mindestens eine Öffnungsinnenfläche zumindest teilweise formschlüssig an einer Gefäßwand anliegen.
Es wird außerdem erfindungsgemäß ein Verfahren zur Behandlung wenigstens eines Fluides mittels eines erfindungsgemäßen Resonators zur Verfügung gestellt, bei dem longitudinale Schwingungen verteilt und teilweise in zum Flächenschwerpunkt oder annähernd zum Flächenschwerpunkt einer Querschnittsfläche wenigstens einer vom Resonator umfassten Öffnung gerichteten Schwingungen transformiert werden, die mit longitudinalen Schwingungen überlagert werden, wobei die transformierten Schwingungen an ein innerhalb der Öffnung befindliches Fluid zu übertragen werden, und wobei das Volumen des Fluides in der Öffnung durch ein Gefäß begrenzt wird, oder das Volumen des Fluides in der Öffnung durch die Wandung der Öffnung begrenzt wird.
Vorzugsweise werden auch die von den annähernd zum Flächenschwerpunkt einer Querschnittsfläche wenigstens einer vom Resonator umfassten Öffnung gerichteten Schwingungen überlagerten longitudinalen Schwingungen auf das Fluid übertragen.
Die Schwingungen werden auf eine oder mehrere Öffnungen bzw. dort angeordnete Gefäße verteilt und auf das dort befindliche Fluid übertragen.
Das Fluid kann ein Gas als auch eine Flüssigkeit oder ein 2-Phasen-Gemisch daraus sein.
Ein aus mehreren Lamda/2-Elementen bestehender Resonator kann aus einem Materialstück entsprechender Länge gefertigt werden oder aus mehreren Elementen der Länge m*Lambda/2 (n e N), z.B. durch Verschrauben, Verschweißen, Verkleben oder Verpressen zusammengesetzt werden. Lambda/2-Elemente können verschiedene Materialquerschnittsgeometrien, z.B. kreisförmige, ovale oder rechteckige Querschnitte aufweisen. Die Querschnittsgeometrie und -fläche kann entlang der Längsachse eines Lambda/2- Elements variieren. Lambda/2-Elemente können unter anderem aus metallischen oder keramischen Materialien oder aus Glas, insbesondere aus Titan, Titanlegierungen, Stahl oder Stahllegierungen, Aluminium oder Aluminiumlegierungen, z.B. aus Titan grade 5 gefertigt sein.
Um NFLUS von außen in ein Gefäß einzubringen, können Schwingungen über die Gefäßwand auf den Gefäßinhalt übertragen werden. Die Schwingungsübertragung auf die Gefäßwand kann allseitig und umschließend über die gesamte Gefäßwand oder lediglich über einen Teil der Gefäßwand erfolgen. Dieser Teil kann z.B. den Querschnitt des Gefäßes umschließen. Die Schwingungen können in verschiedenem Winkel z.B. nahezu oder vollständig senkrecht vom Resonator auf die Gefäßwand wirken. Im Falle eines runden oder elliptischen Querschnitts können die Schwingungen radial auf den Gefäßquerschnitt wirken. Im Falle vieleckiger, polygoner Querschnitte, können die Schwingungen radial auf einen Punkt innerhalb des Gefäßquerschnitts, vorzugsweise auf den Flächenschwerpunkt der Querschnittsfläche des Gefäßes, gerichtet sein.
Damit der Resonator ein Gefäß umschließen kann, muss dieser einen dem Gefäßquerschnitt angepassten Öffnungsquerschnitt aufweisen, welcher mindestens einen Berührungspunkt, vorzugsweise mindestens zwei Berührungspunkte mit dem Gefäßquerschnitt hat. Mindes- tens einer dieser Berührungspunkte sollte sich vorzugsweise außerhalb eines Schwingungsminimums des Resonators befinden.
Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Resonators, welcher vorzugsweise mehrere miteinander an den Maxima der Longitudinalschwingungen verbundene Lamda/2-Elementen umfasst und in den Lambda/2-Elementen Öffnungen aufweist, ist es möglich, auf ein oder mehrere dieser Lambda/2-Elemente einwirkende Longitudinalschwingungen in zum Flächenschwerpunkt oder annähernd zum Flächenschwerpunkt einer Querschnittsfläche wenigstens einer vom Resonator umfassten Öffnung gerichtete Schwingungen zu transformieren, die mit longitudinalen Schwingungen überlagert werden.
Kennzeichnend für die erfindungsgemäße Gestaltung des Resonators sind die in mindestens einem, vorzugsweise alle der Lambda/2-Elemente eingebrachte Öffnungen, z.B. Bohrungen, Fräsungen oder Schlitze oder einseitig oder mehrseitig eingebrachte Vertiefungen. Dabei können in einem oder mehreren Lambda/2-Elementen eine oder mehrere Öffnungen oder Vertiefungen eingebracht sein.
Die Resonanzfrequenzen des Resonators und die Amplitudenverteilung entlang der Öffnungsquerschnittslinien sind unter anderem von der Außengeometrie und der Öffnungsquerschnittgeometrie abhängig. Durch das erfindungsgemäße Einbringen der Öffnungen oder Vertiefungen in den Resonator werden die Resonanzfrequenzen des Resonators und die Amplitudenverteilung entlang der Öffnungsquerschnittslinie zusätzlich beeinflusst.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt:
Figur 1 : einen erfindungsgemäßen Resonator im Betriebszustand mit Verdeutlichung der
Amplitudenverteilung,
Figur 2: ein Amplituden-Änderungsdiagramm der Schwingungen,
Figur 3: einen erfindungsgemäßen Resonator in einer ersten Ausführungsvariante,
Figur 4: einen erfindungsgemäßen Resonator in einer zweiten Ausführungsvariante, Figur 5: einen erfindungsgemäßen Resonator einer dritten Ausführungsvariante,
Figur 6: eine Darstellung des Resonators aus Figur 5 in einem ersten Schwingungszustand, Figur 7: eine Darstellung des Resonators aus Figur 5 in einem zweiten Schwingungszustand.
Der erfindungsgemäße Resonator 10, wie er in Figur 1 dargestellt ist, umfasst n Lambda/2- Elemente, wobei bei dem in Figur 1 dargestellten Resonator 10 n = 5 ist. Die einzelnen Lambda/2-Elemente 1 1 sind durch Schlitze 15 voneinander getrennt. Auf der Seite des Schaftes 16 sowie auf der Stirnseite 13 sind sie jedoch miteinander verbunden. In jedem Lambda/2-Element 1 1 ist wenigstens eine Öffnung 12 vorgesehen, wobei in der in Figur 1 dargestellten Ausführungsvariante zwei Öffnungen 12 angeordnet sind. In diesen Öffnungen 12 befindet sich das zu behandelnde Fluid 21 in hier nicht näher dargestellten Gefäßen oder auch ohne Gefäß, wobei dann das Fluid 21 in der Öffnung 12 aufgenommen ist. Die Öffnungen 12 können das jeweilige Lambda/2-Element 1 1 durchdringen oder auch als Ausnehmung in dem jeweiligen Lambda/2-Element 1 1 vorhanden sein.
Der in Figur 1 dargestellte Resonator ist nicht maßstäblich im schwingenden Zustand gezeigt. Die dargestellten Öffnungen 12 sind im Ruhezustand, also im unbelasteten Zustand des Resonators 10, wesentlich kompakter ausgeführt, wie es zum Beispiel aus den Figuren 3 bis 5 ersichtlich ist.
Der Resonator 10 ist nicht auf die in den Figuren 1 , 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen mit lediglich Lambda/2-Elementen 1 1 mit je zwei Öffnungen 12 eingeschränkt, sondern es können auch m Lambda/2-Elemente jeweils parallel angeordnet sein, wie es zum Beispiel in Figur 5 dargestellt ist, wobei m=2 ist. Das heißt, dass m die ganzzahlige Anzahl von Lambda/2 des jeweiligen Elementes in Ausbreitungsrichtung der Longitudinalschwingungen darstellt.
Vorzugsweise sind in jedem Lambda/2-Element 1 1 zwei Öffnungen 12 angeordnet.
Aus der in Figur 1 ersichtlichen Schattierung sowie der entsprechenden Schattierung in der rechts neben dem Resonator 10 dargestellten Skala, die die Amplitudenverteilung URES in mm darstellt, ist ersichtlich, in welchen Bereichen der Lambda/2-Elemente 1 1 extreme Amplituden auftreten.
Figur 2 zeigt ein Diagramm, welches die Verteilung der Amplitude A entlang der Ausdehnung s von zwei Lambda/2-Elementen 1 1 darstellt. Ersichtlich ist, dass Extremwerte in den Endbereichen der jeweiligen Lambda/2-Elemente 1 1 auftreten.
In den Figuren 3 und 4 sind zwei unterschiedliche Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Resonators 10 dargestellt. Der in Figur 3 dargestellte Resonator 10 umfasst im Schaft 16 zusätzlich ein Resonanzbeeinflussungselement 14 in Form einer weiteren Öffnung, sowie sich quer über die parallel angeordneten Lambda/2-Elemente 1 1 erstreckend eine rillenförmige Vertiefung als weiteres Resonanzbeeinflussungselement 14. Diese Resonanzbeeinflussungselemente 14 dienen zur Einstellung des Resonanzverhaltens des Resonators 10.
Der in Figur 4 dargestellte Resonator 10 weist zur Beeinflussung des Resonanzverhaltens an einer Seitenfläche eines Lambda/2-Elementes 1 1 ein weiteres Resonanzbeeinflussungselement 14 in Form einer Öffnung sowie an der Stirnseite 13 jedem Lambda/2-Element 1 1 zugeordnet ein Resonanzbeeinflussungselement 14 in Form einer Bohrung auf.
Wie aus Figur 5 ersichtlich ist, kann der erfindungsgemäße Resonator auch ohne Schaft 16 ausgeführt sein. Ersichtlich ist weiterhin, dass die parallel angeordneten und durch Schlitze 15 voneinander getrennte Elemente eine Länge von 2*Lambda/2 aufweisen, wobei in den einzelnen Lambda/2-Elementen 1 1 jeweils 2 Öffnungen 12 angeordnet sind. Die Schlitze 15 zwischen den Lambda/2-Elementen 1 1 erstrecken sich vorzugsweise in den Bereichen der Längenausdehnung 20, in denen parallel die Öffnungen 12 angeordnet sind.
Ein ähnlicher erfindungsgemäßer Resonator, wie in Figur 5 dargestellt, ist in den Figuren 6 und 7 in Betriebssituationen gezeigt, wobei jedoch der in den Figuren 6 und 7 dargestellte Resonator 10 lediglich Lamda/2-Elemente aufweist, die parallel angeordnet sind und jeweils zwei Öffnungen 12 aufweisen.
In Figur 6 ist ein aufgrund seines Resonanzverhaltens in Längenausdehnung 20 gestreckter Resonator 10 ersichtlich, was insbesondere aus der Verformung der Öffnungen 12 in eine in Längenausdehnung 20 sich erstreckende elliptische Form ersichtlich ist. Die Konturen der Öffnungen 12, wie sie im nicht-schwingenden Zustand vorhanden sind, sind mit den gestrichelten Linien angedeutet. Auch hier stellen die gezeigten Schattierungen dar, in welchen Bereichen des Resonators 10 Minima und Maxima der Amplitudenverteilung auftreten.
In Figur 7 ist der in Figur 6 dargestellte Resonator in einem weiteren Schwingungszustand ersichtlich, wobei hier der Resonator 10 in einem in Längenausdehnung 20 gestauchten Zustand vorliegt, wie es aus der senkrecht zur Längenausdehnung 20 verlaufenden elliptischen Form der Öffnungen 12 ersichtlich ist.
Wie insbesondere aus den Figuren 6 und 7 erkannt werden kann, werden longitudinal in den Resonator 10 eingeleitete Schwingungen in Schwingungen transformiert, die radial vom Rand der Öffnungen 12 auf deren Zentrum wirken. Dadurch lassen sich Fluide 21 in den Öffnungen 12 derartigen Schwingungen aussetzen.

Claims

Patentansprüche
1 . Resonator zur Verteilung und teilweisen Transformation longitudinaler Schwingungen in longitudinale Schwingungen, die mit zum Flächenschwerpunkt oder annähernd zum Flächenschwerpunkt einer Querschnittsfläche wenigstens einer vom Resonator umfassten Öffnung gerichteten Schwingungen überlagert sind,
wobei der Resonator eine natürliche Zahl parallel angeordneter Elemente von wenigstens Lambda/2 oder einem natürlichem Vielfachen davon umfasst und mindestens eines der Lambda/2-Elemente mindestens eine Öffnung aufweist, welche geeignet ist, die transformierten Schwingungen an ein innerhalb der Öffnung befindliches Fluid zu übertragen.
2. Resonator nach Anspruch 1 , wobei der Resonator insgesamt 2n Lambda/2-Elemente umfasst.
3. Resonator nach Anspruch 1 , wobei der Resonator insgesamt 2n+1 Lambda/2- Elemente umfasst.
4. Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Lambda/2- Element mindestens zwei Öffnungen aufweist.
5. Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lambda/2-Elemente durch Schlitze entlang eines Teils ihrer Längenausdehnung voneinander getrennt sind.
6. Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Resonator wenigstens ein Lambda/2-Element aufweist, welches zur Reduktion oder Erhöhung der Amplitude der an den übrigen Lambda/2-Elementen anliegenden Schwingungen geeignet ist.
7. Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Querschnitt wenigstens einer Öffnung ein Polygon ist.
8. Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der derart ausgestaltet ist, dass die zum Flächenschwerpunkt oder annähernd zum Flächenschwerpunkt einer Querschnittsfläche wenigstens einer Öffnung gerichtete Schwingung an der Innenseite der Öffnung mindestens zwei Schwingungsknoten aufweist.
9. Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der an einer Stirnseite mindestens eine Öffnung aufweist, welche geeignet ist, mindestens eine der Resonanzfrequenzen des Resonators zu beeinflussen.
10. Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Resonator aus einer Stahllegierung, einer Aluminiumlegierung, einer Titanlegierung, aus Keramik oder aus einem Glas gefertigt ist.
1 1. Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der für die Verteilung und teilweisen Transformation von Ultraschall mit einer Frequenz zwischen 15 kHz und 40 kHz ausgelegt ist.
12. Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der für die Verteilung und teilweisen Transformation von Ultraschall mit einer Frequenz zwischen 16 kHz und 22 kHz ausgelegt ist.
13. Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der für die Verteilung und teilweisen Transformation von Ultraschall mit einer Leistung zwischen 10 W und 20000 W ausgelegt ist.
14. Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der für die Verteilung und teilweisen Transformation von Ultraschall mit einer Leistung zwischen 50 W und 1000 W ausgelegt ist.
15. Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die maximale Diagonale der zur Übertragung der Schwingungen auf das Fluid angeordneten Öffnung zwischen 1 mm und 100 mm beträgt.
16. Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der derart ausgelegt ist, dass die maximale Amplitude der Schwingungen in longitudinaler Richtung kleiner als 30μηη (peak-peak) ist.
17. Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der derart ausgelegt ist, dass die maximale Amplitude der Schwingungen in longitudinaler Richtung größer als 1 μηη (peak-peak) ist.
18. Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der derart ausgelegt ist, dass die maximale Amplitude der Schwingungen in longitudinaler Richtung größer als 5 μηη (peak-peak) ist.
19. Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der in wenigstens einer Öffnung ein Gefäß umfasst, wobei die Öffnung das Gefäß im Wesentlichen formschlüssig hält.
20. Verfahren zur Behandlung wenigstens eines Fluides mittels eines Resonators gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem longitudinale Schwingungen verteilt und teilweise in zum Flächenschwerpunkt oder annähernd zum Flächenschwerpunkt einer Querschnittsfläche wenigstens einer vom Resonator umfassten Öffnung gerichteten Schwingungen transformiert werden, die mit longitudinalen Schwingungen überlagert werden,
wobei die transformierten Schwingungen an ein innerhalb der Öffnung befindliches Fluid zu übertragen werden, und wobei
i) das Volumen des Fluides in der Öffnung durch ein Gefäß begrenzt wird, oder ii) das Volumen des Fluides in der Öffnung durch die Wandung der Öffnung begrenzt wird.
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